Estructura de la materia

Mecánica cuántica, orbitales atómicos, estructura electrónica y partículas subatómicas

Imagen de LoveYouAll en Pixabay

Índice

Modelos atómicos

Dalton

Basándose en las ideas de Demócrito, John Dalton propuso este modelo a principios del siglo XIX, considerando al átomo como una esfera maciza indivisible.

El átomo de Dalton es una esfera maciza indivisible.

Los descubrimientos de la radiactividad natural por Becquerel (1896) y el electrón por Thomson (1897) hicieron necesaria la revisión de este modelo.

Thomson

También conocido como el modelo del pastel de pasas, fue propuesto en 1904 por J.J. Thomson, quien considera que el átomo está formado por una nube esférica con carga positiva en donde se encuentran incrustados los electrones, con carga negativa, como las pasas en un pastel.

El átomo de Thomson es una nube esférica con carga positiva en donde se encuentran incrustados los electrones, con carga negativa, como las pasas en un pastel.

Los descubrimientos del núcleo atómico y del protón por Rutherford (1911 y 1919, respectivamente) llevaron a la revisión de este modelo.

Rutherford

Gracias a su famoso experimento de la lámina de oro (Au), Ernest Rutherford propuso, en 1911, un modelo de átomo formado por un núcleo, muy pequeño comparado con el tamaño del átomo, con carga positiva y donde se concentra casi toda su masa. Los electrones, con carga negativa, giran alrededor del núcleo como lo hacen los planetas alrededor del Sol.

El átomo de Rutherford está formado por un núcleo con carga positiva donde se concentra la mayor parte de su masa, y alrededor del cual giran los electrones, con carga negativa.

La integridad del núcleo1 y la inestabilidad de las órbitas electrónicas2 desde un punto de vista clásico hicieron necesaria la revisión de este modelo.

Bohr

Propuesto en 1913 por Niels Bohr para explicar la estabilidad de la materia y los característicos espectros de emisión y absorción de los gases.

Espectro discreto de emisión del hidrógeno (H).

Postulados

Este modelo se basa en tres postulados fundamentales:

  1. Los electrones describen órbitas circulares en torno al núcleo sin irradiar energía.
  2. Solo están permitidas aquellas órbitas en las que el electrón tiene un momento angular múltiplo entero de $\hbar = h/(2\pi)$.
  3. El electrón solo emite o absorbe energía en los saltos de una órbita permitida a otra, siendo la energía emitida/absorbida la diferencia de energía entre ambos niveles.
Traducida y adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model_English.svg.

Ecuación de Rydberg

La ecuación de Rydberg nos da la longitud de onda de las líneas espectrales de muchos elementos químicos:

$$ \frac{1}{\lambda} = R\cdot\left(\frac{1}{n_1^2}-\frac{1}{n_2^2}\right), $$

donde $\lambda$ es la longitud de onda de la radiación emitida en el vacío, $R = 1.097\times 10^7\thinspace \mathrm m^{-1}$ es la constante de Rydberg y $n_1$ y $n_2$ son los números cuánticos principales de las órbitas involucradas en el salto (con $n_2>n_1$).

Esta ecuación también nos permite calcular el valor energético correspondiente a una transición electrónica entre dos niveles dados, $\Delta E$:

$$ \Delta E = hcR\cdot\left(\frac{1}{n_1^2}-\frac{1}{n_2^2}\right), $$

donde $c = 299\thinspace 792\thinspace 458\thinspace \mathrm{m/s}$ es la velocidad de la luz en el vacío.

Orígenes de la teoría cuántica

Radiación de cuerpo negro

Es la radiación electromagnética re-emitida por un cuerpo ideal que absorbe toda la radiación que incide sobre él (cuerpo negro), estando en equilibrio termodinámico con su entorno.

Un cuerpo negro es cualquier objeto que absorbe toda la radiación electromagnética que incide sobre él, re-emitiéndola. Fuente: https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Physical_Chemistry_(McQuarrie_and_Simon)/01%3A_The_Dawn_of_the_Quantum_Theory/1.01%3A_Blackbody_Radiation_Cannot_Be_Explained_Classically.

Tiene un espectro muy característico, inversamente relacionado con la intensidad, que depende únicamente de la temperatura del cuerpo.

Espectros de cuerpos negros a distintas temperaturas, comparados con la predicción clásica (catástrofe ultravioleta).

El fallo de la teoría clásica vigente a la hora de explicar la forma de este espectro se conoce como la catástrofe ultravioleta.

Max Planck fue quien consiguió, en 1900, explicar el espectro del cuerpo negro, dando así origen a la teoría cuántica.

Aprende más sobre la radiación de cuerpo negro con esta excelente simulación:

Hipótesis de Planck

La energía solo puede ser emitida/absorbida en paquetes discretos llamados cuantos o fotones, múltiplos de la frecuencia $\nu$ de la radiación electromagnética asociada: $$ E = h \nu, $$ donde $h = 6.626\times 10^{-34}\thinspace\mathrm{J\thinspace s}$ es la constante de Planck.

Efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de (foto)electrones cuando radiación electromagnética, como por ejemplo luz ultravioleta, incide sobre un material, típicamente metálico.

Características

  • La cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de la radiación incidente.
  • La emisión de fotoelectrones solo se produce cuando la radiación incidente tiene una frecuencia mayor o igual que una cierta frecuencia mínima, llamada frecuencia umbral o de corte, $\nu_0$, que es característica de cada material.
  • La energía cinética de los fotoelectrones depende únicamente de la frecuencia de la radiación incidente.
  • La emisión de fotoelectrones se realiza instantáneamente, sin existir ningún retraso entre la absorción de energía y la emisión de los fotoelectrones.
Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Photoelectric_effect_in_a_solid_-_diagram.svg

\begin{align*} E &= \phi + E_\mathrm c \\
h\nu &= h\nu_0 + E_\mathrm c \Rightarrow E_\mathrm c = h\left(\nu-\nu_0\right), \end{align*}

donde $h = 6.626\times 10^{-34}\thinspace\mathrm{J\thinspace s}$ es la constante de Planck, $\nu$ es la frecuencia de la radiación incidente, $\nu_0$ es la frecuencia umbral (cuya energía asociada, $\phi = h \nu_0$ se denomina función de trabajo o trabajo de extracción) y $E_\mathrm c = h\left(\nu-\nu_0\right)$ es la energía cinética máxima de los fotoelectrones, emitidos siempre que se cumpla $\nu \geq \nu_0$.

Si quieres aprender más sobre el efecto fotoeléctrico te recomiendo echar un vistazo a esta estupenda simulación.

Mecánica cuántica

Dualidad onda-corpúsculo

Consiste en que el comportamiento de los objetos cuánticos no puede ser descrito considerando a estos como partículas u ondas, sino que tienen una naturaleza dual.

Electrones mostrando un comportamiento claramente ondulatorio, gracias al famoso experimento de la doble rendija. Traducida de https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Physical_Chemistry_(McQuarrie_and_Simon)/01%3A_The_Dawn_of_the_Quantum_Theory/1.07%3A_de_Broglie_Waves_can_be_Experimentally_Observed.

A partir de experimentos de difracción de electrones, Louis de Broglie fue el primero que propuso la siguiente hipótesis:

Toda partícula de masa $m$ moviéndose a una velocidad $v$ tiene asociada una onda (de materia) cuya longitud de onda, $\lambda$, viene dada por $$ \lambda = \frac{h}{mv}, $$ siendo $h = 6.626\times 10^{-34}\thinspace\mathrm{J\thinspace s}$ la constante de Planck.

Principio de incertidumbre de Heisenberg

Existen ciertos pares de magnitudes físicas (aquellas cuyo producto tiene dimensiones de $\mathsf{M}\mathsf{L}^2\mathsf{T}^{-1}$), que no pueden ser determinadas simultáneamente con total exactitud, pues el producto de sus incertidumbres ha de ser mayor o igual que $h/(4\pi) = \hbar/2$.

Ejemplos de tales magnitudes son:

\begin{align*} \text{Posición $x$ y momento lineal $p$: } & \Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{\hbar}{2} \\
\text{Energía $E$ y tiempo $t$: } & \Delta E \cdot \Delta t \geq \frac{\hbar}{2} \end{align*}

donde $\Delta$ denota la incertidumbre asociada y $\hbar = h/(2\pi)$.

El principio de incertidumbre de Heisenberg implica que, aunque se especifiquen todas las condiciones iniciales, no es posible predecir el valor de una cantidad con total certeza, dando así paso a una interpretación probabilística de la mecánica cuántica.

Orbitales atómicos

Son funciones matemáticas que describen el tamaño, la forma y la orientación de las regiones del espacio donde es más probable encontrar al electrón.

Orbitales s ($l=0$), p ($l=1$), d ($l=2$) y f ($l=3$). Adaptada de https://www.coursehero.com/sg/general-chemistry/quantum-theory/.

Números cuánticos y su interpretación

Los números cuánticos describen valores de magnitudes físicas que se conservan en la dinámica de un sistema cuántico, tales como la energía o el momento angular, las cuales están cuantizadas y por tanto toman valores discretos.

Para describir completamente el estado cuántico de un electrón en un átomo necesitamos cuatro números cuánticos, los cuales tienen un significado orbital concreto.

Número cuántico principal $n$

Nos da el tamaño y la energía del orbital. Toma valores naturales ($1\leq n$), como por ejemplo $n = 1,2,3,\dots$

Número cuántico secundario $l$

Nos da la energía y forma del orbital. Puede tomar los siguientes valores:

$$ 0\leq l\leq n-1 $$

de forma que, por ejemplo, para $n = 3$: $l=\{0,1,2\}$.

Número cuántico magnético $m_l$

Nos da la orientación del orbital. Puede tomar los siguientes valores:

$$ -l\leq m_l\leq l $$

de forma que, por ejemplo, para $l = 2$: $m_l=\{-2,-1,0,1,2\}$.

Espín $m_s$

Es el momento angular intrínseco. Puede tomar los siguientes valores:

$$ -s\leq m_s\leq s $$

Para un electrón, $s=1/2$, por lo que $m_s = \{-1/2,1/2\}$.

Estructura electrónica

Principio de exclusión de Pauli

Dos o más electrones no pueden tener todos sus números cuánticos idénticos (ocupar el mismo estado cuántico) dentro del mismo sistema cuántico (átomo).

Gracias a este principio podemos determinar el número máximo de electrones que caben en cada tipo de orbital:

Tipo de orbitalspdf
Número de orbitales1357
Número máximo de e261014

Orden energético creciente

La configuración electrónica es la distribución de los electrones de un átomo en orbitales atómicos (s, p, d y f). El diagrama de Möller nos ayuda a saber en qué orden han de llenarse los distintos orbitales, siguiendo las flechas (orden energético creciente).

Diagrama de Möller. Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diagrama_de_Configuraci%C3%B3n_electr%C3%B3nica.svg.

Regla de Hund de la máxima multiplicidad

Al llenar orbitales de igual energía (por ejemplo los tres orbitales p) los electrones se distribuyen, siempre que sea posible, con sus espines paralelos, llenando los orbitales con la multiplicidad mayor.

Ejemplos

Se muestran también los números cuánticos del último electrón:

Partículas subatómicas

Tras los descubrimientos de Thomson, Rutherford y Chadwick a principios del siglo XX, parecía claro que el átomo estaba formado por protones y neutrones en su núcleo y una corteza donde estaban los electrones.

PartículaMasa/kgCarga/C
Protón$1.673\times 10^{-27}$$1.602\times 10^{-19}$
Neutrón$1.675\times 10^{-27}$$0$
Electrón$9.109\times 10^{-31}$$-1.602\times 10^{-19}$
$m_\text{protón}\simeq m_\text{neutrón}\sim 2000m_\text{electrón}$
$q_\text{protón}=-q_\text{electrón}$

Modelo estándar

Es la teoría que describe tres de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza conocidas (electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil), además de clasificar todas las partículas elementales conocidas.

Traducida y adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg.

Evolución del Universo

Traducida y adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:History_of_the_Universe.svg. Iconos diseñados por Freepik de https://www.flaticon.es/.

  1. Si el núcleo estuviera formado únicamente por protones con carga positiva, su repulsión haría que se desintegrara. En 1932 Chadwick descubre el neutrón, partícula sin carga encargada de mantener unidos entre sí a los protones mediante la fuerza nuclear fuerte. ↩︎

  2. La física clásica predice que una partícula cargada y acelerada, como sería el caso de los electrones orbitando alrededor del núcleo, emite radiación electromagnética, perdiendo energía y colapsando contra el núcleo. ↩︎

Rodrigo Alcaraz de la Osa
Rodrigo Alcaraz de la Osa
Doctor en Física y Profesor de Física y Química

Soy Profesor de Física y Química en el IES Ría San Martín de Cantabria (España).

Relacionado